Wie leistungsstark ist die Umwandlung von Masse in Energie? Die Kernfusion benötigte nur eine winzige Menge Energie, um etwas Weltbewegendes zu schaffen

Der Prozess, den die Menschheit derzeit mit der höchsten Masse-Energie-Umwandlungsrate beherrscht, ist die Kernfusion. Die Energie einer Wasserstoffbombenexplosion ist weltbewegend und kann die Welt zerstören. Dies ist die Wasserstoff-Kernfusion. Tatsächlich ist die Masse-Energie-Umwandlungsrate bei der Kernfusion extrem gering, etwa 7/1000 der Masse, was bedeutet, dass nur 7 Gramm von einem Kilogramm Materie in Energie umgewandelt werden. Warum ist es so leistungsstark?

Dies ist die Kraft der Umwandlung von Masse in Energie.

Die Masse-Energie-Gleichung wurde vor über hundert Jahren von Einstein entdeckt und stellte einen gewaltigen Durchbruch im menschlichen Verständnis der Gesetze des Universums dar.

Die Masse-Energie-Gleichung ist eine Beziehung, die die Umwandlung von Masse in Energie oder von Energie in Masse beschreibt. Dabei handelt es sich um eine Reihe komplizierter Argumentationsprozesse, die wir aus Gründen der Populärwissenschaft hier nicht auflisten. Das Endergebnis ist sehr einfach und klar und kann wie folgt ausgedrückt werden: E=MC^2.

In dieser Formel stellt die linke Seite des Gleichheitszeichens E die Energie mit der Einheit J (Joule) dar; Die rechte Seite des Gleichheitszeichens stellt die Masse M multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit C im Quadrat dar. Die Einheit der Masse ist kg (Kilogramm), die Einheit der Lichtgeschwindigkeit ist m (Meter) und der Standardwert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt 299792458 m/s (Meter/Sekunde). Wenn keine besonders genaue Anforderung besteht, wird die Lichtgeschwindigkeit zur einfacheren und schnelleren Berechnung im Allgemeinen auf 300000000 m/s vereinfacht.

Obwohl es sich um eine so einfache Gleichung handelt, hat sie einen Durchbruch im menschlichen Wissen bewirkt. Von da an ersetzte das Gesetz der Erhaltung von Masse und Energie das vorherige Gesetz der Erhaltung der Masse und ist genauer. Die Menschen wissen, dass in der Masse eine enorme Menge an Energie steckt. Solange es eine Möglichkeit gibt, Masse in Energie umzuwandeln, wird die Energie unerschöpflich sein.

Das Wesentliche dieser Gleichung ist der äquivalente Austausch. Diese Äquivalenz bedeutet, dass Masse und Energie gleichwertig sind. Solange die Masse einer Substanz gleich bleibt, ist auch die darin enthaltene Energie gleich. 1 kg Gold, 1 kg Dynamit, 1 kg Baumwolle und 1 kg Kohl wandeln sich alle in die gleiche Energiemenge um, nämlich etwa 9*10^16J. Diese Energie entspricht 25 Milliarden Kilowattstunden Strom oder der Kraft einer Explosion von 21,51 Millionen Tonnen TNT.

Seit Tausenden von Jahren gewinnt der Mensch Energie durch ineffiziente chemische Methoden.

Bei der Energie, die durch die Verbrennung von Pflanzen, Kohle und Heizöl gewonnen wird, handelt es sich ausschließlich um chemische Energie, die durch chemische Reaktionen gewonnen wird und einen äußerst geringen Wirkungsgrad aufweist. Beispielsweise beträgt die Wärmeenergie, die beim Verbrennen von 1 kg Standardkohle gewonnen wird, 7000 kcal, was etwa 29300962,74592 J entspricht. Diese Energie beträgt nur 0,000000000326 der Masse-Energie-Umwandlungsrate.

Daher war in früheren Lehrbüchern der Satz von der Erhaltung der Masse grundsätzlich richtig, da die verbrauchte Energie im Grunde vernachlässigbar war. Aber letztendlich bleibt immer noch ein kleiner Verlust, sodass das Gesetz der Massenerhaltung nur relativ genau ist, nicht sehr genau, während das Gesetz der Massen- und Energieerhaltung wirklich genau ist.

Im letzten Jahrhundert entdeckte der Mensch die Kernenergie, ein Modell zur Energiegewinnung durch Umwandlung von Masse in Energie. Dies stellt einen großen Fortschritt bei der Energiegewinnung durch den Menschen dar, allerdings ist auch hier die Umwandlungsrate sehr niedrig. Soweit die Menschheit über die Effizienz der Umwandlung von Masse in Energie Bescheid weiß, gibt es, abgesehen von der Vernichtung von Materie und Antimaterie, keine Technologie, mit der sich die gesamte Masse in Energie umwandeln lässt. Die leistungsstärkste heute verfügbare Kernfusionstechnologie kann nur 0,7 % der Masse in Energie umwandeln.

Die Umwandlung von Masse in Energie ist gleichwertig. Kann Energie also in Materie umgewandelt werden?

Viele Menschen fragen sich oft: Wenn Masse in Energie umgewandelt werden kann, warum kann Energie dann nicht in Masse umgewandelt werden? Tatsächlich ist dieses Verständnis falsch. Die Umwandlung von Masse und Energie ist kein Einbahnstraßen-, sondern ein Zweibahnstraßen-Austausch. Energie kann auch in Masse umgewandelt werden und es gilt auch hier die Masse-Energie-Gleichung.

Die Bedingungen für die Umwandlung einer kleinen Menge Masse in Energie sind äußerst hart und schwierig. Um beispielsweise auch nur ein kleines bisschen Masse umzuwandeln, sind extreme Bedingungen wie die Explosion einer Atombombe oder einer Wasserstoffbombe mit extrem hohen Temperaturen und hohem Druck erforderlich. Noch schwieriger ist es, Energie in Masse umzuwandeln.

Sie sollten wissen, dass die Umwandlung von 1 kg Materie in Energie das Äquivalent von 25 Milliarden Kilowattstunden Strom oder die Kraft von 21,51 Millionen Tonnen Sprengstoff erzeugen kann, was der Kraft von 1.655 gleichzeitig explodierenden Hiroshima-Atombomben entspricht. Nach dem Prinzip des Äquivalentaustauschs ist es notwendig, eine so große Energiemenge ohne Abfall in einen Behälter zu packen, um 1 kg Substanz zu erhalten.

Tatsächlich findet die Umwandlung von Energie in Materiemasse schon immer statt. In unserem Universum findet seit dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren ein Prozess der Umwandlung reiner Energie in Materiemasse statt.

Wie ist das Universum aus Energie entstanden?

Die moderne Quantenmechanik geht davon aus, dass es vor dem Urknall keine Materie, keine Zeit und keinen Raum gab, sondern nur Hintergrundenergie, die Vakuum-Nullpunktenergie, und diese Energie ist extrem groß.

Diese Energie ist in der Leere des Weltraums verborgen und existiert in Form von Quantenblasen. Diese Quantenblasen treten zufällig in Form virtueller Teilchenpaare auf und vernichten sich dann schnell wieder. Wenn das Universum vollkommen symmetrisch und erhalten wäre, würde unser Universum nicht existieren und es gäbe keine Menschen wie uns, die hier jetzt Unsinn reden.

In den Anfangsjahren dominierte die Theorie der Paritätserhaltung die Welt der Physik. Die Menschen waren damals sehr verwirrt. Da Materie und Antimaterie symmetrisch sind und Antimaterie jederzeit vernichtet werden kann, stellt sich die Frage, warum das Universum entstanden ist. Wo ist die Antimaterie jetzt geblieben? Diese Fragen wurden erst beantwortet, als Yang Zhenning und Li Zhengdao das Gesetz der Nichterhaltung der Parität vorschlugen.

Es stellt sich heraus, dass das Universum nur grundlegende Symmetrien bewahrt, aber nicht perfekt ist und Brüche aufweist, die zu Nichterhaltungsphänomenen führen. Einige der virtuellen Teilchenpaare, die jederzeit auftreten und vernichten können, folgen nicht den Regeln, und einige von ihnen vernichten sich nicht einzeln, und es treten Singularitäten auf. Diese Singularität explodierte und dehnte sich weiter aus, und unsere Welt entstand.

Dieser Theorie zufolge können wir nicht das einzige widerspenstige virtuelle Teilchen sein, es könnte noch viele, viele mehr geben. Dies ist die Grundlage für die Behauptung, dass es außerhalb unseres Universums viele Paralleluniversen gibt.

Als das Universum abkühlte, veränderte Energie unsere Welt

Im Moment der Singularitätsexplosion enthielt das Universum nur Energie. Die Temperatur des Universums war unendlich hoch und die Dichte unendlich groß, was nicht gemessen werden konnte. Erst während der Planck-Zeit, die 10^-43 Sekunden (eine Billion Billionen Billionen Billionstel Sekunde) beträgt, sank die Temperatur auf 10^32K (Billionen Billionen Billionen K) und die Dichte auf 10^94g/cm^3 (Gramm pro Kubikzentimeter), was dem 10^78-fachen der Dichte eines Protons entspricht.

Da sich das Universum schnell ausdehnt, sinkt auch die Temperatur schnell. 10^-12 Sekunden (eine Billionstel Sekunde) nach dem Urknall sank die Temperatur auf 10^-15 K und verschiedene Partikel begannen zu erscheinen. Protonen, Neutronen, Bosonen, Neutrinos, Elektronen, Quarks und Gluonen traten alle auf und stabilisierten sich.

Dies bedeutet, dass das Universum Materie aus Energie umgewandelt hat, diese Substanzen jedoch immer noch hauptsächlich aus Leptonen bestehen und Hadronen sehr selten sind. Lange Zeit waren Temperatur und Dichte des Universums noch extrem hoch. Die Kernkraft konnte Neutronen und Protonen nicht binden, und nicht einmal Licht konnte entkommen. Das Universum befand sich in einer dunklen und undurchsichtigen Ära.

Erst 380.000 Jahre später, als die Temperatur des Universums auf 3.000 K sank, begannen sich neutrale Atome zu verbinden und zu bilden, und wirklich greifbare Materie begann aufzutauchen, hauptsächlich die einfachsten Wasserstoff- und Heliumatome und eine sehr kleine Menge Lithium. Diese Elemente schwebten im Universum und begannen sich aufgrund ihrer eigenen Schwerkraft zu Nebeln zu verdichten und bildeten dann Sterne und Galaxien.

An diesem Punkt entstand die Welt, die wir heute kennen, und all dies wurde aus Energie umgewandelt.

Wissenschaftler haben den Zustand des Universums eine Sekunde nach dem Urknall simuliert

Im Large Hadron Collider in Europa nutzten Wissenschaftler die gewaltige Energie von 1045 Billionen Elektronenvolt, um zwei Strahlen Bleiionen in einer 27 Kilometer langen unterirdischen Röhre aufeinander zuzuschieben. Als die Geschwindigkeit der beiden Bleiionenstrahlen 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit erreichte, kollidierten sie und erzeugten augenblicklich eine Temperatur von 10 Billionen Grad. Es entstand eine Miniaturversion des Urknalls, die die Szene eine Sekunde vor dem Urknall wiederherstellte, einer dichten „Urteilchensuppe“ aus Quarks und Gluonen unter hoher Temperatur und hohem Druck.

Dieses Experiment bestätigte nicht nur die Erwartungen der Urknalltheorie, sondern lieferte auch Beweise für die Umwandlung von Energie in Materie. In vielen Experimenten im Collider entspricht die gegenseitige Umwandlung von Masse und Energie strikt der Berechnung von Einsteins Masse-Energie-Gleichung, was die Großartigkeit dieser Theorie, die seit über 100 Jahren entdeckt wurde, weiter beweist.

In der menschlichen Welt besteht die hauptsächlich verwendete Methode darin, Masse in Energie umzuwandeln.

Die Bedingungen für die Umwandlung von Masse in Energie sind sehr hart. Abgesehen von der Vernichtung von Materie und Antimaterie gibt es derzeit keine Technologie, mit der sich die gesamte Masse in Energie umwandeln lässt. Die Technologie mit der höchsten Masse-Energie-Umwandlungsrate, die der Mensch derzeit beherrschen kann, ist die Kernfusionstechnologie.

Die Menschheit hat die Technologie der Kernspaltung und Kernfusion im letzten Jahrhundert gemeistert, die Beherrschbarkeit dieser Technologie blieb jedoch bislang auf die Kernspaltung beschränkt. Daher kann es für zivile Zwecke, beispielsweise zur Erzeugung von Kernenergie, verwendet werden und hat eine bedeutende Rolle bei der Lösung der Energieprobleme der Menschheit gespielt.

Abgesehen vom „Knall“ einer Wasserstoffbombenexplosion ist bei der Kernfusion keine langsame und kontrollierbare Energiefreisetzung möglich. Nur durch eine kontrollierte und langsame Freisetzung kann die zivile Nutzung gefördert werden und der Gesellschaft zugute kommen.

Bei der Kernspaltung handelt es sich um den Prozess der Aufspaltung schwerer Atomkerne in kleinere Atomkerne. Während des Spaltvorgangs geht etwas Masse verloren. Die Höhe dieses Verlustes ist sehr gering, theoretisch weniger als 0,1 %. In der aktuellen Kernspaltungstechnologie werden hauptsächlich zwei Rohstoffe verwendet, nämlich Uran 235 und Plutonium 239. Der Massenverlust während des Spaltungsprozesses von Uran 235 beträgt etwa 0,0946 %, und der Verlust von Plutonium 239 beträgt etwa 0,0961 %.

Die Kernenergie ist derzeit die weltweit effizienteste Technologie zur Umwandlung von Masse in Energie.

Auch wenn bei der Kernspaltung weniger als 0,1 Prozent der Masse eines Kilogramms Uran oder Plutonium in Energie umgewandelt werden, ist diese Energiemenge nicht mit der chemischen Energie vergleichbar, die die Menschheit in der Vergangenheit genutzt hat. Gemäß Einsteins Masse-Energie-Gleichung wandelt 1 Kilogramm Kernspaltungsbrennstoff etwa 1 g Energie um, was 9*10^13 J entspricht. Diese Energie entspricht 25 Millionen Kilowattstunden Strom oder der Sprengenergie von 25.150 Tonnen Sprengstoff.

Natürlich handelt es sich hierbei nur um die Effizienz, die durch eine perfekte Umwandlung theoretisch erreicht wird. Im realen Betrieb kann dieser Wirkungsgrad nicht erreicht werden. Da es unmöglich ist, eine Reinheit des Brennstoffs von 100 % zu erreichen, ist es auch unmöglich, eine zu 100 % vollständige Spaltungsreaktion zu erreichen. Wenn beispielsweise eine Atombombe explodiert, zerbricht sie, bevor die Kernspaltung abgeschlossen ist. Einigen Angaben zufolge betrug die tatsächliche Effizienz der Atombombe von Hiroshima lediglich 1,2 %. Das ist der Grund.

Der Wirkungsgrad der Kernfusion ist wesentlich höher als der der Kernspaltung. Die Sonne und alle Sterne können kontinuierlich Energie abstrahlen, da in ihren Kernen ständig Kernfusion stattfindet. Da für die Kernfusion extrem hohe Temperaturen bzw. Drücke erforderlich sind, ist die Frage, wie sich die Kernfusionsenergie in einem Behälter kontrollieren und kontinuierlich und langsam freisetzen lässt, noch immer ein schwieriges Problem, das weltweit untersucht wird.

Warum wird die Kernfusion als „künstliche kleine Sonne“ bezeichnet?

Dies liegt daran, dass die Kernfusion die Art und Weise nachahmt, wie die Sonne Masse und Energie umwandelt. Daher wird die kontrollierte Kernfusion auch als „künstliche kleine Sonne“ bezeichnet. Machen Sie aber bitte deutlich, dass es bei der künstlichen Sonne nicht darum geht, eine leuchtende kleine Sonne zu erschaffen, die die Welt erhellt, sondern darum, durch Kernfusion im Kern der Sonne Energie für die Stromerzeugung oder Strom zum Wohle der Menschheit zu gewinnen.

Tatsächlich handelt es sich bei der künstlichen Sonne lediglich um eine riesige Maschine namens Tokamak (siehe Abbildung oben), und die Kernfusionsreaktion wird im Inneren dieser Maschine gesteuert.

Die kontrollierte Kernfusion muss zwei große Herausforderungen bewältigen. Eine Möglichkeit besteht darin, Temperaturen von mehreren Milliarden Grad Celsius in einem Käfig einzusperren, doch kein Stoff auf der Welt kann solch hohen Temperaturen standhalten. Die wichtigsten Methoden zum Einschluss von Hochtemperaturplasma für die Kernfusion sind der magnetische Einschluss und der Trägheitseinschluss. Ich habe in der Vergangenheit schon oft darüber gesprochen, deshalb werde ich hier nicht näher darauf eingehen.

Eine weitere Schwierigkeit ist das Verhältnis von Energieeinsatz zu Energieeinsatz. Diese Technologie ist nur dann wertvoll, wenn die Ausgabe um eine bestimmte Größenordnung größer ist als die Eingabe. Zum Zünden der Kernfusion ist eine sehr hohe Zündtemperatur erforderlich, was einen großen Energieeinsatz bedeutet. Wenn die Eingangsenergie größer als die Ausgangsenergie oder nur geringfügig kleiner ist, ist sie von geringem Wert.

Mittlerweile sind diese beiden Schwierigkeiten überwunden und alle Länder haben erhebliche Fortschritte erzielt. Auf diesem Gebiet nimmt China weltweit eine Spitzenposition ein. Temperatur und Einschlusszeit des Hochtemperaturplasmas der Kernfusion werden ständig erhöht, und jetzt wurde ein Durchbruch bei der Einschlusstemperatur von 120 Millionen Grad für 101 Sekunden erreicht.

Von einer tatsächlichen kommerziellen Anwendung der kontrollierten Kernfusion ist dieser Indikator jedoch offensichtlich noch weit entfernt.

Die Energieumwandlungsrate der Kernfusion ist immer noch sehr niedrig. Wird es in Zukunft höher sein?

Je schwerer das Element, desto strenger sind die Bedingungen für die Kernfusion. Beispielsweise muss die Temperatur für die Helium-Kernfusion mindestens 200 Millionen Grad betragen. Daher kann eine kontrollierte Kernfusion nur mit dem leichtesten Element – ​​Wasserstoff – beginnen, da diese Art der Fusion die niedrigsten Temperaturbedingungen erfordert. Einfach ausgedrückt handelt es sich bei der kontrollierten Wasserstoff-Kernfusion auf der Erde um den Prozess, bei dem Wasserstoffkerne bei einer Temperatur von 100 Millionen Grad Celsius kontinuierlich zu schwereren Heliumkernen verschmelzen. Bei diesem Prozess werden 0,7 % der Masse in Energie umgewandelt, was sechsmal höher ist als die Masse-Energie-Umwandlungsrate bei der Kernspaltung.

Das heißt, von 1 kg Wasserstoff werden 7 g seiner Masse in Energie umgewandelt. Gemäß der Masse-Energie-Gleichung können 6,3*10^14J Energie gewonnen werden. Diese Energie entspricht 175 Millionen Kilowattstunden Strom oder der Kraft einer Explosion von 150.000 Tonnen TNT. Natürlich wird die Kernfusion ebenso wie die Kernspaltung von vielen Faktoren beeinflusst und ihre Effizienz wird nie 100 % erreichen.

Aber wie dem auch sei, dies ist die effizienteste Umwandlung von Masse in Energie, die der Mensch derzeit beherrschen kann.

Zwischen 0,7 % und 100 % Masse-Energie-Umwandlungsrate besteht immer noch eine Lücke von 99,3 %, die darauf wartet, von Menschen entdeckt zu werden. Wird die Menschheit in Zukunft effizientere Methoden zur Umwandlung von Masse in Energie finden? habe keine Ahnung. Sicher ist jedoch, dass die erforderlichen Umwandlungsbedingungen umso höher sind, je höher die Umwandlungsrate von Masse in Energie ist. Ich bin davon überzeugt, dass es im Zuge der Weiterentwicklung der menschlichen Wissenschaft immer wieder zu neuen Durchbrüchen kommen wird.

Die vollkommenste Umwandlung von Masse in Energie ist die Kollision von Antimaterie und Materie. Die Vernichtung von 1 kg Antimaterie und 1 kg Materie kann zu einer Umwandlung von 2 kg Masse in Energie führen. Allerdings ist Antimaterie in unserer Welt äußerst selten. Wissenschaftler haben jahrzehntelang enorme Mengen Energie für Experimente aufgewendet, doch die Gesamtmenge der weltweit gewonnenen Antimaterieteilchen (Protonen und Atome) beträgt lediglich 15 ng (Nanogramm). Würde man sie alle vernichten, würde das nicht ausreichen, um eine Tasse Wasser zum Kochen zu bringen.

Natürlich ist es ein Glück, dass es auf unserer Welt nur sehr wenig Antimaterie gibt, denn wenn Terroristen in die Hände von Antimaterie gelangen würden, wäre die Menschheit nicht in der Lage zu überleben. Was denken Sie? Willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

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